本文原載於公眾號環球科學ScientificAmerican。
撰文 蘿拉·達塔羅（Laura Dattaro）
翻譯 寒冬
審校 丁家琦
天文學家第一次使用「暗物質」這個詞是20世紀30年代，如今差不多一個世紀過去了，這種難以捉摸的物質依然沒有得到解釋。物理學家可以測量出星系及其他天體被暗物質影響後的運動，但是暗物質的組成依然是個謎。
為了解決這個難題，物理學家已經想出了很多種可能性，包括對應的探測方法。其中有一些是在嘗試解決其他物理問題時產生的，另外一些則來自於對暗物質的專門研究。
「誰都不知道哪個實驗最終能解決它，」紐約大學的物理教授尼爾·魏納（Neal Weiner）說，「而且如果你不去思考如何正確地做實驗，就找不到它。它不會就那麼撞到你臉上，不然它的名字就不叫『暗物質』了。」
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弱相互作用大質量粒子
大質量相互作用粒子的質量可能是質子質量的1至1000倍，而且它們之間只存在弱相互作用（與放射性衰變有關的一種力）。
如果把暗物質比作娛樂明星，那弱相互作用大質量粒子就是碧昂絲（Beyoncé，美國著名歌手）。「弱相互作用大質量粒子是很有希望的暗物質候選者。」加利福尼亞大學歐文分校物理與天文系的教授馬諾·凱普林赫 （Manoj Kaplinghat）說。
但最近新的實驗數據卻使人們對它們的存在產生了懷疑。雖然科學家在太空和地球（包括大型強子對撞機）做了各種實驗來尋找它們，但弱相互作用大質量粒子至今仍未露面，進一步縮小了我們對它們的質量、相互作用強度及其他性質的可搜尋區間。
如果弱相互作用大質量粒子終究沒有出現，我們就只能期待新的解決方案出現來解決暗物質之謎——同時把它從候選名單上排除出去。
「如果我們找不到它，就意味著統治物理學界很久的一個章節結束了。」普林斯頓大學的理論粒子物理學家馬裡昂吉拉·麗桑提（Mariangela Lisanti）說。
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惰性中微子
中微子是幾乎沒有質量的粒子，它可以在不同類型之間轉變，穿過整個行星而不撞到任何東西。中微子已經夠古怪了，但它們還有更古怪的對應粒子——惰性中微子。
這種難以捉摸的粒子對周圍的環境如此無動於衷，以至於要想等到這樣一個粒子與其他物質發生相互作用，需要花費與整個宇宙年齡長度相當的時間。
如果惰性中微子就是暗物質的成分，那麼這種惰性對於想要探測它們的物理學家簡直就是難上加難。不過探測到它們的可能性依然存在：它們可能會衰變成容易探測的粒子——光子。
「光子是我們非常擅長探測的粒子。」加利福尼亞大學聖克魯茲分校的物理學教授迪斯蒂法諾·普羅富莫（Stefano Profumo）說。
去年，物理學家利用空間望遠鏡發現了一個穩定的信號，其能量與理論預言的來自星系團中心的惰性中微子流相符。但是信號或許也有其他的源頭，比如鉀離子（普羅富莫在一篇標題略帶挑釁性的文章《暗物質探索陷入瘋狂》中提出了這個觀點）。一個新的日本望遠鏡ASTRO-H有更高的能量解析度，或許可以結束這場爭論。
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中性微子
弱相互作用大質量粒子中最有希望的中性微子（neutralino），出自超對稱理論。超對稱假設每種已知的粒子都存在對應的「超」粒子，以此填補標準模型中的漏洞，但這些粒子都極難觀測。
其中一些，比如光子和Z玻色子的對應粒子，擁有類似暗物質的性質。暗物質或許是這些超對稱粒子的混合物，而最容易觀測的就是中性微子。
發現中性微子將能解決兩個重大的物理難題：可以告訴我們暗物質的組成，以及證明超對稱的存在。但同時也留下另一個難題：為什麼其他的超對稱粒子沒有出現呢？
「如果暗物質就是中性微子，就說明有一個嶄新的世界等著我們去探索，」麗桑提說，「這打開了一扇大門，通向奇妙、激動人心的世界。」
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非對稱暗物質
在宇宙形成之初，正物質與反物質猛烈地碰撞，每次碰撞都伴隨著湮滅，直到最後只剩下了正物質。但粒子物理的標準模型沒能解釋這一現象，根據標準模型，應當是相同數量的反物質與正物質不斷湮滅，最後只剩下空蕩蕩的宇宙。
顯然，實際情況並不是這樣，而物理學家至今還沒搞清楚原因。同樣的原理或許也適用於暗物質：在一個標準的中性微子理論中，反暗物質被它們的對應物暗物質徹底消除，只剩下我們今天看到的暗物質。發現非對稱暗物質不僅可以回答暗物質是什麼，也能回答為什麼我們今天可以在這尋找它。
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軸子
搜尋弱相互作用大質量粒子正面對挑戰，與此同時，另一種名為「軸子」（axion）的粒子正讓科學家興奮起來。
軸子並不是新提出的粒子。20世紀80年代早期，就在海倫·奎因（ Helen Quinn）和羅伯託·皮塞（Roberto Peccei）發表了一篇裡程碑式的論文解決了一個關於強相互作用的問題之後不久，物理學家第一次設想了它的存在。幾十年來，它一直被當作有希望的暗物質候選者，但實驗人員直到現在依然沒有發現它們的蹤影。
「我們最近的實驗進展到了能夠探測軸子最有趣的參數空間的階段。」卡弗裡粒子天體物理和宇宙學研究所（由史丹福大學和 SLAC 國家加速器實驗室聯合建立）的教授裡薩·韋克斯勒（Risa Wechsler）說。
華盛頓大學的軸子暗物質實驗（ADMX）試圖使用強磁場把軸子轉化為能夠探測的光子來探測它們的存在。與此同時，理論物理學家已經開始設想新的軸子類別，以及探測它們的新奇方法。
「軸子理論正在復興，或許實驗會帶給人們更多振奮的消息。」加利福尼亞大學歐文分校的理論物理學家喬納森·馮（Jonathan Feng）說。
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鏡像世界中的暗物質
正如愛麗絲鏡子裡的奇異物品和生物一樣，或許也存在一個完全孤立的世界，擁有不同於我們世界的基本粒子，而暗物質就在其中。這些「暗質子」「暗中子」除了通過引力幾乎不與我們發生相互作用，所以幾乎毫無痕跡。「我們知道暗物質存在的唯一途徑就是通過引力，」馮說，「這讓它們看起來十分優美。」
雖然它很美，但是理論物理學家對於探測到它們幾乎不抱希望。不過有一些線索表明暗物質光子或許能轉變為正常的光子，就像是中微子在不同的味之間振蕩，這激發了一些研究來理解和探索這些神秘的粒子。
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額外維度的暗物質
如果暗物質不是完全存在於另一個世界，它或許就在實驗沒有探測到的第四維度中。這樣的維度對我們來說過於微小，使得研究人員很難探測到其中的粒子運動。不過根據20世紀20年代特奧多爾·卡魯扎（Theodor Kaluza）和奧斯卡·克萊因（ Oskar Klein）提出的觀點，我們會看到電荷相同、質量不同的多種粒子，而最近的一種觀點認為，其中的一種粒子可能就是暗物質粒子，稱為「卡魯扎-克萊因」暗物質。它們不會發出或反射光線，這就解釋了為什麼我們三維世界看不到它們。
如果能夠確認它們的存在，這也將被視為對弦論（需要額外維度存在才能成立的理論）的支持。
「你可以探索額外維度世界並繪製地圖，就像500年前人們繪製出新大陸的地圖一樣。」馮說。
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強相互作用大質量粒子
雖然物理學家從來沒有探測到暗物質，但他們通過觀察星系可以清楚地知道有多少暗物質存在。然而，對於星系內部區域的觀察並不符合對暗物質的模擬計算，這仍是困擾物理學家和天文學家的謎題。
往常的模擬一般假設暗物質不與自身發生相互作用，但我們沒有理由相信現實必須是這樣。這一想法導致了「強相互作用大質量粒子」這一概念的誕生——於是暗物質候選者大家庭又增添了一員。馮說，包含弱相互作用大質量粒子的模擬似乎消除了其他模擬的偏差，但是相較於惰性中微子，它還能解釋星系團中的奇異光子信號。
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複合暗物質
暗物質或許不是這些候選者中的任何一個——也或許包含不止一個。
「沒有證據表明暗物質僅由一種粒子構成，」凱普林赫說，「我們只是為了簡潔才這樣假設。」
畢竟普通的物質就是由多種多樣的粒子構成，每種粒子都有獨特的性質和行為，而且相互之間有無數的組合方法。為什麼暗物質不能這樣呢？
暗物質也可以有自己的夸克和膠子，它們之間發生相互作用構成暗物質重子以及其他粒子。所以也有可能存在由多種粒子構成的暗物質原子。
不管哪種情況，暗物質問題很可能會需要幾十年才能解決，研究它可以促使物理學家更深入地探索宇宙，解決舊的難題，同時也會發現新的秘密。
原文連結：
http://www.symmetrymagazine.org/article/what-could-dark-matter-be
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